Inversor fotovoltaico não isolado NPC intercalado

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA. INVERSOR FOTOVOLTAICO NÃO ISOLADO NPC INTERCALADO. DISSERTAÇÃO DE MESTRADO. Gustavo Andres Finamor. Santa Maria, RS, Brasil 2016.

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(3) INVERSOR FOTOVOLTAICO NÃO ISOLADO NPC INTERCALADO. Gustavo Andres Finamor. Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Área de Concentração em Processamento de Energia Elétrica, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM,RS), como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.. Orientador: Prof. Luciano Schuch. Santa Maria, RS, Brasil 2016.

(4) Ficha catalográfica elaborada através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Central da UFSM, com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).. Andres Finamor, Gustavo Inversor fotovoltaico não isolado NPC intercalado / Gustavo Andres Finamor - 2016 140 p.; 30 cm Orientador: Luciano Schuch Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, RS, 2016 1. Inversor fotovoltaico NPC intercalado 2. Não isolado 3. Alta densidade de potência 4. Alto rendimento I. Schuch, Luciano II. Título.. c 2016. Todos os direitos autorais reservados a Gustavo Andres Finamor. A reprodução de partes ou do todo deste trabalho só poderá ser feita com autorização por escrito do autor. Endereço: Av. Roraima, No 1000, Bairro Camobi, Santa Maria, RS, Brasil, CEP: 97105-900; Endereço Eletrônico: [email protected]..

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(6) AGRADECIMENTOS A realização deste trabalho só foi possível devido ao apoio de pessoas realmente especiais. É com enorme carinho que agradeço: A minha família, em especial a minha mãe, Marcia Andres, e tias, Nina Andres e Nivia Andres, por todo o carinho que recebi ao longo de minha vida, pelo exemplo de honestidade, perseverança e humildade. Por apoiarem minhas escolhas e comemorarem como suas – que, de fato, são – as conquistas. Sou e serei eternamente grato. A minha irmã, Isabela Finamor, que me acompanhou durante a realização deste trabalho, pela amizade, companheirismo, compreensão e paciência. A minha namorada, Bárbara Lovato, pelo amor, carinho e compreensão. Peço desculpas pelo afastamento causado por minha dedicação à pesquisa. Sofremos juntos. Mas vencemos juntos também. Te retribuirei por todos os dias que o futuro nos reserva. Aos meus amigos, Alexandre Ferrari, Eduardo Antolini, Matheus Durgante, Felipe Vier, e Marco Lara, que formam para mim uma verdadeira família e que há muito tempo tem compartilhado emoções, aventuras e celebrado novas conquistas. Aos colegas e amigos, Gustavo Koch, Leandro Kehler, Matheus Camargo, Thieli Gabbi e Vinícius Barbosa, fortalecendo os laços de amizade, compartilhando conhecimento e momentos de alegria. Ao meu orientador, Prof. Luciano Schuch, um exemplo de profissional, o qual me espelho, pelo oportunidade e disponibilidade de orientar minhas atividades, pelos conhecimentos e lições ensinadas no decorrer de minha trajetória. Aos professores do Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC), Prof. José Renes Pinheiro, Prof. Leandro Michels, Prof. Jorge Massing, e em especial, Prof. Humberto Pinheiro, pelos ensinamentos e ajuda sempre que necessária. Aos professores Cassiano Rech e Fabrício Dupont, membros da banca examinadora, pelas importantes sugestões que contribuíram à qualidade deste trabalho. Ao aluno de iniciação científica, Marcel Dall Pai, por compartilhar do mesmo ideal que eu e, deste modo, colaborar para que este imenso desafio fosse vencido. À Universidade Federal de Santa Maria e ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, por propiciar a oportunidade de acesso ao curso de pós-graduação de alta qualidade. Por fim, à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo apoio financeiro..

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(8) “Talvez não tenha conseguido fazer o melhor, mas lutei para que o melhor fosse feito. Não sou o que deveria ser, mas graças a Deus, não sou o que era antes.” Martin Luther King.

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(10) RESUMO Dissertação de Mestrado Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Universidade Federal de Santa Maria, RS, Brasil INVERSOR FOTOVOLTAICO NÃO ISOLADO NPC INTERCALADO Autor: Gustavo Andres Finamor Orientador: Luciano Schuch Local da Defesa e Data: Santa Maria, 4 de Março de 2016. Durante todo o século XX, a oferta de energia elétrica, obtida principalmente a partir dos combustíveis fósseis como petróleo e o carvão mineral, deu suporte ao crescimento e as transformações da economia mundial. Já nos primeiros anos do século atual, o cenário mudou para uma nova realidade, a necessidade do desenvolvimento sustentável. Em outras palavras, o desafio é substituir gradativamente as fontes tradicionais de energia elétrica por fontes de energia renovável, onde a energia solar fotovoltaica tem destaque. Os conversores eletrônicos para sistemas fotovoltaicos, também chamados de inversores, podem ser constituídos de diversas maneiras, apresentando nas últimas décadas um acentuado progresso de pesquisa. Os principais esforços de estudo tem se concentrado em obter alto rendimento, alta densidade de potência e alta confiabilidade, de modo a aumentar o desempenho global da instalação fotovoltaica. Neste horizonte, esta dissertação tem por objetivo propor, analisar, projetar e implementar um inversor fotovoltaico monofásico, para aplicação conectada à rede, de alto rendimento e alta densidade de potência. Esta estrutura é denominada de “Inversor Fotovoltaico NPC Multinível Intercalado sem Transformador”, que utiliza indutores não acoplados, interruptores de Nitreto de Gálio e emprega a técnica interleaving junto ao filtro LCL, sintetizando 9 níveis. No decorrer do trabalho são introduzidos estudos relativos à operação, modulação, metodologia de projeto e estágios de potência, estabelecendo critérios, enquanto considera a performance estática. São apresentados resultados, observando a potência de 1 kW, com a finalidade de corroborar a validade da topologia proposta juntamente as normativas e aspectos que norteiam a aplicação, especialmente com respeito à THD (Total Harmonic Distortion) da corrente da rede, corrente de fuga, rendimento e densidade de potência. Palavras-chave: Inversor fotovoltaico NPC multinível intercalado, sem transformador, alta densidade de potência, alto rendimento..

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(12) ABSTRACT Master’s Dissertation Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Universidade Federal de Santa Maria, RS, Brasil TRANSFORMERLESS PHOTOVOLTAIC INTERLEAVED NPC INVERTER Author: Gustavo Andres Finamor Advisor: Luciano Schuch. Place and Date: Santa Maria, March 4th , 2016. Throughout the twentieth century, the supply of electricity, mainly obtained from fossil fuels like oil and coal, it has supported the growth and transformation of the world economy. In the early years of this century, the scenario has changed to a new reality, the need for sustainable development. In other words, the challenge is to gradually replace the traditional sources of electricity from renewable energy sources, in which the solar photovoltaic energy has highlighted. Photovoltaic inverters may be constituted in different ways, presenting in recent decades a high research progress. The main study efforts focus on getting high efficiency, high power density and high reliability, to increase the overall performance of the photovoltaic installation. In this direction, this Master Thesis aims to propose, analyze, design and implement a single-phase grid-tied photovoltaic inverter, which provides high efficiency and high power density. This circuit is called “Transformerless Photovoltaic Interleaved Multilevel NPC Inverter”, that use uncoupled inductors, Gallium Nitride power transistors and employs interleaving strategy beside the LCL filter, synthesizing 9 levels. Are introduced studies on the operation, modulation and design methodology of power stages, considering the static performance. Results are presented for the 1 kW, in order to support the validity of the proposed topology in conjunction with the standard aspects, especially in relation to THD (Total Harmonic Distortion) of grid current, leakage current, efficiency and power density. Keywords: Photovoltaic interleaved multilevel NPC inverter, transformerless, high power density, high efficiency..

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(14) LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 – Geração distribuída em contrapartida ao modelo tradicional de produção de eletricidade, baseado em grandes usinas hidrelétricas e usinas de carvão mineral. Fonte: composição com figuras extraídas de images.google.com. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 1.2 – Organização de um sistema fotovoltaico isolado. Fonte: composição com figuras extraídas de images.google.com. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 1.3 – Organização de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica. Fonte: composição com figuras extraídas de images.google.com. . . . . . . Figura 1.4 – Sistemas fotovoltaicos conectados à rede, (a)-(b) centralizados; (c)(d) descentralizados. Fonte: composição com figuras extraídas de images.google.com. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 1.5 – Dispositivos semicondutores de wide bandgap, (a) SiC (encapsulamento TO-252); (b) GaN (encapsulamento LGA). Fonte: composição com figuras extraídas de images.google.com. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 1.6 – Ilustração da circulação da corrente de fuga em um sistema fotovoltaico conectado à rede sem transformador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.1 – Inversor NPC Conergy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.2 – Inversor HERIC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.3 – Inversor H5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.4 – Inversor FB-DCBP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.5 – Inversores com diodos de grampeamento, (a) três níveis; (b) cinco níveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.6 – Inversores com capacitores flutuantes, (a) três níveis; (b) cinco níveis. Figura 2.7 – Inversores em cascata, (a) célula full-bridge (três níveis); (b) cinco níveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3.1 – Inversor fotovoltaico NPC multinível intercalado sem transformador conectado à rede elétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3.2 – Formas de onda das tensões multiníveis teóricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3.3 – Técnica interleaving, (a) indutores não acoplados; (b) formas de onda das correntes teóricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3.4 – Estratégia de modulação híbrida Phase-Shift+Phase-Disposition. . . . Figura 3.5 – Espectro harmônico da tensão multinível vmulti (fs = 100 kHz e fo = 60 Hz). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3.6 – Circuito equivalente do inversor proposto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3.7 – Resultados de simulação para validação das hipóteses oriundas do equacionamento do circuito equivalente (E = 300 V, fs = 100 kHz, La1 = La2 = 150 µH, Cf 1 = 1 µF). Formas de onda (a) corrente de saída isaída1 ; (b) tensão sobre o capacitor Cf 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3.8 – Valores de índices de modulação para síntese da tensão multinível vmulti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3.9 – Indutores não acoplados, destaque para as ondulações de corrente. . Figura 3.10 – Valores de ângulos de transição para diferentes índices de modulação. Figura 3.11 – Circuito utilizado no estudo da ondulação de corrente de saída. . . . . . Figura 3.12 – Tensão multinível vmulti_a , destaque para os modos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3.13 – Ondulação de corrente de saída normalizada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3.14 – Resultado de simulação para validação do equacionamento da ondulação de corrente de saída. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3.15 – Ondulação de corrente circulante normalizada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29 30 31 31 32 33 38 39 39 40 41 42 43 45 46 47 48 48 49. 50 51 52 52 53 53 56 56 57.

(15) LISTA DE FIGURAS Figura 3.16 – Resultado de simulação para validação do equacionamento da ondulação de corrente circulante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Figura 3.17 – Ondulação de corrente no indutor normalizada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Figura 3.18 – Resultado de simulação para validação do equacionamento da ondulação de corrente no indutor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Figura 4.1 – Inversor proposto, destaque para a divisão dos grupos. . . . . . . . . . . . . . . . 62 Figura 4.2 – Comparativo das respostas em frequências dos filtros L e LCL. . . . . . . 63 Figura 4.3 – Circuito equivalente do inversor para análise e projeto do filtro LCL. 64 Figura 4.4 – Capacitância do filtro LCL normalizada em função da relação entre as indutâncias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Figura 4.5 – Ondulação de corrente de saída normalizada para um índice de modulação unitário, evidencia-se o ângulo de máxima ondulação. . . . . . . 68 Figura 4.6 – Ondulação de corrente de saída baseada nas especificações de projeto. 69 Figura 4.7 – Ondulação de corrente de saída através: (a) da indutância de Thévenin; (b) das indutâncias relativas a estrutura do inversor proposto. . 69 Figura 4.8 – Atenuação da corrente da rede em relação a corrente de saída, em função da relação entre as indutâncias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Figura 4.9 – Diagrama de Bode da função de transferência da corrente da rede irede (s) pela tensão sintetizada pelo inversor vmulti_a (s), destaque para a frequência de ressonância. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Figura 4.10 – Inversor fotovoltaico NPC multinível intercalado sem transformador, destaque para o amortecimento passivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Figura 4.11 – Resposta em frequência do sistema para diferentes valores de resistência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Figura 4.12 – Resultado de simulação das correntes de saída e rede. . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Figura 4.13 – Diagrama de blocos funcional do TMS320F2837xD. Fonte: extraído de ti.com. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 R. Figura 4.14 – Imagem tridimensional da fonte de alimentação Murata MEV1S1205DC, mostrando suas dimensões: (a) vista superior; (b) vista em perspectiva. Fonte: composição com figuras extraídas de murata.com. . . . . . . . 75 R Figura 4.15 – Driver - Texas Instruments UCC27611. Fonte: figura extraída de ti.com. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Figura 4.16 – Imagem tridimensional do módulo de inversor NPC, mostrando suas dimensões: (a) vista superior; (b) vista em perspectiva. . . . . . . . . . . . . . . 76 Figura 4.17 – Imagem tridimensional da placa mãe, mostrando suas dimensões: (a) vista superior; (b) vista em perspectiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Figura 4.18 – Imagens reais, destacando a posição de alguns componentes, vista superior: (a) módulo de inversor NPC; (b) placa-mãe. . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Figura 5.1 – Resultado de simulação: (a) tensão multinível vmulti_a (5 níveis); (b) tensão multinível vmulti_b (5 níveis). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Figura 5.2 – Resultado de simulação, tensão multinível vmulti (9 níveis). . . . . . . . . . . 83 Figura 5.3 – Resultado de simulação, tensão nos capacitores vC1 e vC2 . . . . . . . . . . . . 83 Figura 5.4 – Resultado de simulação: (a) isaída1 , iLa1 e iLa2 ; (b) isaída2 , iLb1 e iLb2 . 84 Figura 5.5 – Resultado de simulação, correntes circulantes icirc_1 e icirc_2 . . . . . . . . . 84 Figura 5.6 – Resultado de simulação: (a) corrente da rede irede ; (b) tensão na carga vcarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Figura 5.7 – Resultado de simulação: (a) tensão do terminal positivo em relação ao terminal de terra; (b) tensão do terminal negativo em relação ao terminal de terra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Figura 5.8 – Resultado de simulação, corrente de fuga if uga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Figura 5.9 – (a) Comparação das correntes médias nos interruptores do Grupo 1 (S1 ); (b) erro percentual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89.

(16) LISTA DE FIGURAS Figura 5.10 – (a) Comparação das correntes eficazes nos interruptores do Grupo 1 (S1 ); (b) erro percentual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.11 – (a) Comparação das correntes médias nos interruptores do Grupo 2 (S2 ); (b) erro percentual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.12 – (a) Comparação das correntes eficazes nos interruptores do Grupo 2 (S2 ); (b) erro percentual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.13 – (a) Comparação das correntes médias nos diodos do Grupo 3 (D1 ); (b) erro percentual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.14 – (a) Comparação das correntes eficazes nos diodos do Grupo 3 (D1 ); (b) erro percentual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.15 – Especificações do diodo em função da temperatura de junção: (a) queda de tensão direta; (b) resistência de condução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.16 – Distribuição de perdas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.17 – Distribuição de perdas: (a) perdas de condução nos interruptores de eGaN EPC2010; (b) perdas de condução nos diodos de SiC CREE C3D04060E; (c) perdas de Cobre nos indutores; (d) perdas de núcleo nos indutores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.18 – Curva de rendimento teórico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.19 – Imagem tridimensional do protótipo envolto por uma estrutura no formato de um paralelepípedo reto-retângulo, mostrando suas dimensões. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura A.1 – Forma de onda teórica da tensão multinível vmulti_a durante o semiciclo positivo, destaque para sequência de comutação. . . . . . . . . . . . . . . . . Figura A.2 – THD (%) da tensão multinível vmulti_a em função do índice de modulação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura B.1 – Inversor fotovoltaico monofásico NPC multinível, destaque para a divisão dos grupos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura B.2 – Forma de onda teórica da corrente no GaN FET S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura B.3 – Forma de onda teórica da corrente no GaN FET S2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura B.4 – Forma de onda teórica da corrente no diodo D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura C.1 – Inversor fotovoltaico monofásico NPC multinível, destaque para os indutores de alta e baixa frequência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura C.2 – Densidade de fluxo referente ao indutor de alta frequência. . . . . . . . . . . Figura C.3 – Densidade de fluxo referente ao indutor de baixa frequência. . . . . . . . . Figura D.1 – Esquema de conexão do interruptor de Nitreto de Gálio, destaque para a área de Cobre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura D.2 – Perdas nos interruptores de Nitreto de Gálio do Grupo 1. . . . . . . . . . . . . Figura D.3 – Perdas nos interruptores de Nitreto de Gálio do Grupo 2. . . . . . . . . . . . . Figura D.4 – Áreas de Cobre dos interruptores de Nitreto de Gálio, (a) Grupo 1; (b) Grupo 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90 91 92 93 94 96 97. 98 99 101 115 118 119 120 122 123 125 128 130 133 134 135 136.

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(18) LISTA DE TABELAS Tabela 1.1 – Propriedades dos materiais semicondutores de wide bandgap, em comparação ao Silício, utilizado na manufatura dos MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), tecnologia que domina o mercado para aplicação de inversores fotovoltaicos. . . . . . . . . . . Tabela 2.1 – Quadro resumo - Inversores originalmente propostos pela indústria. Tabela 2.2 – Quadro resumo - Componentes dos inversores multiníveis. . . . . . . . . . . . Tabela 3.1 – Tensão multinível (vmulti ) para combinações de tensão vmulti_a > 0, vmulti_b < 0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 4.1 – Especificações de projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 4.2 – Divisão dos grupos de acordo com as características comuns. . . . . . . . . Tabela 4.3 – Esforços nos dispositivos semicondutores, desconsiderando ondulações de alta frequência e utilizando índice de modulação unitário. . . Tabela 4.4 – Limite de distorção harmônica de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 4.5 – Quadro resumo - Parâmetros do filtro LCL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R Tabela 4.6 – Parâmetros gerais da fonte de alimentação Murata MEV1S1205DC. Tabela 5.1 – Parâmetros de simulação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 5.2 – Divisão dos grupos de acordo com as características comuns. . . . . . . . . Tabela 5.3 – Quadro resumo - Correntes médias e eficazes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 5.4 – Comparação numérica das correntes médias nos interruptores do Grupo 1 (S1 ), observando os dados obtidos através do equacionamento e simulação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 5.5 – Comparação numérica das correntes eficazes nos interruptores do Grupo 1 (S1 ), observando os dados obtidos através do equacionamento e simulação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 5.6 – Comparação numérica das correntes médias nos interruptores do Grupo 2 (S2 ), observando os dados obtidos através do equacionamento e simulação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 5.7 – Comparação numérica das correntes eficazes nos interruptores do Grupo 2 (S2 ), observando os dados obtidos através do equacionamento e simulação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 5.8 – Comparação numérica das correntes médias nos diodos do Grupo 3 (D1 ), observando os dados obtidos através do equacionamento e simulação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 5.9 – Comparação numérica das correntes eficazes nos diodos do Grupo 3 (D1 ), observando os dados obtidos através do equacionamento e simulação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 5.10 – Quadro resumo - Perdas na potência nominal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela 5.11 – Rendimento médio ponderado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela A.1 – Comparação numérica da THD da tensão multinível vmulti_a , observando os dados obtidos através do equacionamento e simulação. . . . . Tabela B.1 – Divisão dos grupos de acordo com as características comuns. . . . . . . . . Tabela B.2 – Quadro resumo - Correntes médias e eficazes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela C.1 – Parâmetros gerais utilizados no projeto físico dos elementos magnéticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela C.2 – Parâmetros relacionados aos indutores de alta frequência, retirados da folha de dados, disponibilizado pelo fabricante (THORNTON ELÊTRONICA, 2008b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32 44 44 46 61 62 62 67 73 75 81 88 88 89 90 91 92 93 94 98 100 118 119 124 126. 126.

(19) LISTA DE TABELAS Tabela C.3 – Parâmetros relacionados aos indutores de baixa frequência, retirados da folha de dados, disponibilizado pelo fabricante (THORNTON ELÊTRONICA, 2008a). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela C.4 – Quadro resumo - Especificações dos indutores de alta frequência LHF . Tabela C.5 – Quadro resumo - Especificações dos indutores de baixa frequência LLF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela D.1 – Parâmetros do estudo térmico dos interruptores de GaN - EPC2010. Tabela D.2 – Quadro resumo - Perdas e áreas de Cobre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela E.1 – Lista de componentes - Módulo de inversor NPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabela E.2 – Lista de componentes - Placa-mãe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 126 131 131 133 136 137 138.

(20) LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CEC CP U DSP EM I ESR F BDCBP HERIC IEA M OSF ET NP C PD P SH P CB PWM SEP T HD. Californian Energy Commission (Comissão Californiana de Energia) Central Processing Unit Digital Signal Processor Eletromagnetic Interference Equivalent Series Resistence (Resistência Série Equivalente) Full-Bridge Inverter with DC Bypass Highly Efficiency and Reliable Inverter Concept International Energy Agency Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Neutral Point Clamped Phase-Disposition Phase-Shift Printed Circuit Board Pulse Width Modulation Sistema Elétrico de Potência Total Harmonic Distortion.

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(22) LISTA DE SÍMBOLOS AT BT C GD vrede if uga irede P Cbus C1 -C2 La1 -La2 Lb1 -Lb2 Cf 1 -Cf 2 Lg1 -Lg2 iLa1 iLa2 iLb1 iLb2 isaída1 isaída2 vmulti_a vmulti_b vmulti E t fs Ts ∆iLa1 ∆iLa2 ∆isaida1 n ϕ h fo va1 va2 Lth Icc Iciculante Icca1 Icca2. Alta tensão Baixa tensão Consumidor Gerador distribuído Tensão da rede Corrente de fuga Corrente da rede Ponto central do barramento Capacitores de barramento Indutores não acoplados Indutores não acoplados Capacitores do filtro LCL Indutores do lado da rede do filtro LCL Corrente sintetizada pelo módulo 1 do invesor proposto Corrente sintetizada pelo módulo 2 do invesor proposto Corrente sintetizada pelo módulo 3 do invesor proposto Corrente sintetizada pelo módulo 4 do invesor proposto Corrente de saída 1 Corrente de saída 2 Tensão multinível (5 Níveis) Tensão multinível (5 Níveis) Tensão multinível (9 Níveis) Tensão de barramento Tempo Frequência de comutação Período de comutação Ondulação de corrente iLa1 Ondulação de corrente iLa2 Ondulação de corrente de saída Número de módulos de inversores NPC Defasagem entre cada sinal portador Ordem da harmônica Frequência fundamental da rede (Hz) Tensão sintetizada pelo módulo 1 do inversor proposto Tensão sintetizada pelo módulo 2 do inversor proposto Indutância equivalente de Thévenin Corrente de curto-circuito Corrente circulante Corrente de curto-circuito 1 Corrente de curto-circuito 2.

(23) LISTA DE SÍMBOLOS α Índice de modulação αM ínimo Índice de modulação mínimo ∆Isaída Ondulação de corrente de saída ∆Icirculante Ondulação de corrente circulante ∆Iindutor Ondulação de corrente no indutor θT Ângulo de transição de nível vcf 1 Tensão sobre o capacitor Cf 1 vredepico Tensão de pico da rede ∆Ir Ondulação de corrente no indutor correspondente a subida ∆If Ondulação de corrente no indutor correspondente a descida ∆tr Intervalo de tempo correspondente a subida ∆tf Intervalo de tempo correspondente a descida ∆I saída Ondulação de corrente de saída normalizada ∆I circulante Ondulação de corrente circulante normalizada Lc Indutância equivalente referente a corrente circulante ∆I indutor Ondulação de corrente no indutor normalizada vrederms Tensão eficaz da rede P Potência nominal frede Frequência da rede ∆Irede Ondulação de corrente da rede γ Porcentagem da absorção de potência reativa fres Frequência de ressonância do filto LCL (Hz) Ltotal Indutância total do filtro LCL r Parâmetro utilizado na limitação da indutância total do filtro LCL Cf Capacitância do filtro LCL normalizada Zb Impedância base Cb Capacitância base Cf,máx Capacitância máxima do filtro LCL a Parâmetro de projeto do filtro LCL hs Harmônica correspondente a frequência de comutação T HDirede Taxa de distorção harmônica total da corrente da rede Rd1 -Rd2 Resistores de amortecimento R Resistência de carga PEP C2010 Perdas nos interruptores de Nitreto de Gálio PC3D04060E Perdas nos diodos de Carbeto de Silício Tj_C3D04060E Temperatura de junção dos diodos de Carbeto de Silício Vt Queda de tensão direta Rt Resistência de condução do diodo PCobre Perdas de Cobre nos indutores PN úcleo Perdas de núcleo nos indutores ηM áx Rendimento máximo η Rendimento ηeuro Rendimento europeu.

(24) LISTA DE SÍMBOLOS ηcalif órnia ηbr VP arcial ρ D vref _rms vmulti_a_rms iredepico iS1avg iS1rms iS2avg iS2rms iD1avg iD1rms LHF LLF Jmáx Kw Bmáx Tamb ρCu KH KE % ipico HF irmsHF AeHF AwHF VHF lHF ipico LF irmsLF AeLF AwLF VLF lLF Ae .AwHF NHF ScondHF. Rendimento californiano Rendimento brasileiro Volume parcial do protótipo Densidade de potência Razão cíclica Tensão eficaz de referência Tensão multinível eficaz (5 Níveis) Corrente de pico da rede Corrente média no dispositivo semicondutor S1 Corrente eficaz no dispositivo semicondutor S1 Corrente média no dispositivo semicondutor S2 Corrente eficaz no dispositivo semicondutor S2 Corrente média no dispositivo semicondutor D1 Corrente eficaz no dispositivo semicondutor D1 Indutores de alta frequência Indutores de baixa frequência Densidade de corrente máxima Fator de ocupação Densidade de fluxo máxima Temperatura ambiente Resistividade do Cobre Coeficiente de perdas por histerese Coeficiente de perdas por correntes parasitas Coeficiente de perdas do material IP12R Corrente de pico referente aos indutores de alta frequência Corrente eficaz referente aos indutores de alta frequência Área da seção transversal referente aos indutores de alta frequência Área da janela referente aos indutores de alta frequência Volume do núcleo magnético referente aos indutores de alta frequência Comprimento médio de uma espira referente aos indutores de alta frequência Corrente de pico referente aos indutores de baixa frequência Corrente eficaz referente aos indutores de baixa frequência Área da seção transversal referente aos indutores de baixa frequência Área da janela referente aos indutores de baixa frequência Volume do núcleo magnético referente aos indutores de baixa frequência Comprimento médio de uma espira referente aos indutores de baixa frequência Produto da área da seção transversal pela área da jenela referente aos indutores de alta frequência Número de espiras referente aos indutores de alta frequência Área do condutor referente aos indutores de alta frequência.

(25) LISTA DE SÍMBOLOS ∆Skin NP HF RCobreHF SAW G25 PCuHF ∆B HF PCoreHF ∆B HF _máx PT HF ∆THF Tf HF Ae .AwLF NLF ScondLF RCobreLF SAW G17 PCuLF ∆B LF PCoreLF ∆B LF _máx PT LF ∆TLF Tf LF NP LF Rds(ON ) Tj_EP C2010 RθJC RθJB RθJA PDmáx. Profundidade de penetração (Efeito Skin) referente aos indutores de alta frequência Número de condutores em paralelo referente aos indutores de alta frequência Resistência do condutor de Cobre referente aos indutores de alta frequência Área do condutor (AWG 25) referente aos indutores de alta frequência Perdas de Cobre referente aos indutores de alta frequência Densidade de fluxo referente aos indutores de alta frequência Perdas de núcleo referente aos indutores de alta frequência Densidade de fluxo máxima referente aos indutores de alta frequência Perdas de totais referente aos indutores de alta frequência Elevação de temperatura referente aos indutores de alta frequência Temperatura final referente aos indutores de alta frequência Produto da área da seção transversal pela área da jenela referente aos indutores de baixa frequência Número de espiras referente aos indutores de baixa frequência Área do condutor referente aos indutores de baixa frequência Resistência do condutor de Cobre referente aos indutores de baixa frequência Área do condutor (AWG 17) referente aos indutores de baixa frequência Perdas de Cobre referente aos indutores de baixa frequência Densidade de fluxo referente aos indutores de baixa frequência Perdas de núcleo referente aos indutores de baixa frequência Densidade de fluxo máxima referente aos indutores de baixa frequência Perdas de totais referente aos indutores de baixa frequência Elevação de temperatura referente aos indutores de baixa frequência Temperatura final referente aos indutores de baixa frequência Número de condutores em paralelo referente aos indutores de baixa frequência Resistência de condução Temperatura de junção dos interruptores de Nitreto de Gálio Resistência térmica, junção para o encapsulamento Resistência térmica, junção para a PCB Resistência térmica, junção para o ambiente Máxima potência dissipada pelo interruptor de Nitreto de Gálio.

(26) LISTA DE APÊNDICES E ANEXOS Apêndice A – Análise da THD da tensão multinível vmulti_a,b (5 níveis) . Apêndice B – Análise e equacionamento das correntes médias e eficazes nos dispositivos semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Apêndice C – Projeto físico dos elementos magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Apêndice D – Estudo térmico dos interruptores de Nitreto de Gálio . . . . Apêndice E – Lista de componentes e diagramas esquemáticos . . . . . . . . . . .. 115 119 125 133 137.

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(28) SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO. ................................................................... 29. 1.1 Contextualização da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 1.2.1 Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 1.3 Organização da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 1.4 Artigos publicados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 2 INVERSORES FOTOVOLTAICOS MONOFÁSICOS CONECTADOS À REDE SEM TRANSFORMADOR - UMA REVISÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 2.2 Inversores originalmente propostos pela indústria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38. 2.2.1 NPC Conergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38. 2.2.2 HERIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39. 2.2.3 H5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39. 2.2.4 FB-DCBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40. 2.3 Inversores multiníveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40. 2.3.1 Inversores com diodos de grampeamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 2.3.2 Inversores com capacitores flutuantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42. 2.3.3 Inversores em cascata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 2.4 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44. 3 INVERSOR FOTOVOLTAICO NPC MULTINÍVEL SEM TRANSFORMADOR - TOPOLOGIA PROPOSTA . . . . . . . . .. 45. 3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 3.2 Topologia proposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 3.3 Estratégia de modulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 3.4 Circuito equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. 3.5 Ponderações sobre o índice de modulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 3.6 Ondulação de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. 3.6.1 Ondulação de corrente de saída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53. 3.6.2 Ondulação de corrente circulante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57. 3.6.3 Ondulação de corrente no indutor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58. 3.7 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60. 4 PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO. ..................................... 61. 4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61. 4.2 Especificações de projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61. 4.3 Dimensionamento dos dispositivos semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62.

(29) SUMÁRIO 4.4 Análise e projeto do filtro LCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63. 4.4.1 Projeto do filtro LCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 67. 4.4.1.1 Projeto dos parâmetros do filtro LCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68. 4.4.1.2 Amortecimento da ressonância do filtro LCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72. 4.4.1.3 Quadro resumo e simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. 4.5 DSP - TMS320F2837xD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 74. 4.6 Circuitos auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 4.6.1 Fontes isoladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 4.6.2 Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 4.7 Protótipo implementado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76. 4.7.1 Modelos tridimensionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76. 4.7.1.1 Módulo de inversor NPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76. 4.7.1.2 Placa-mãe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. 4.7.2 Imagens reais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78. 4.8 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79. 5 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO E ESTUDO DE PERDAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. 5.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. 5.2 Especificações de simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. 5.3 Resultados de simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82. 5.4 Estudo de perdas e rendimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87. 5.4.1 Considerações sobre o equacionamento das correntes médias e eficazes nos dispositivos semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88. 5.4.2 Estudo de perdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95. 5.4.2.1 Perdas nos interruptores de Nitreto de Gálio - EPC2010 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95. 5.4.2.2 Perdas nos diodos de Carbeto de Silício - CREEC3D04060E . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95. 5.4.2.3 Perdas de Cobre nos indutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96. 5.4.2.4 Perdas de núcleo nos indutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96. 5.4.2.5 Discussão de perdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97. 5.4.3 Curva de rendimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99. 5.4.4 Rendimento médio ponderado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99. 5.5 Densidade de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101. 5.6 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102. 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS. ............................................... 103. 6.1 Trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 105. REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 APÊNDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.

(30) 1 INTRODUÇÃO. 1.1. Contextualização da Dissertação. Durante todo o século XX, a oferta de energia elétrica, obtida principalmente a partir dos combustíveis fósseis como petróleo e o carvão mineral, deu suporte ao crescimento e as transformações da economia mundial. Já nos primeiros anos do século atual, o cenário mudou para uma nova realidade, a necessidade do desenvolvimento sustentável, conceito que alia o consumo consciente e preservação do meio ambiente. É o desenvolvimento capaz de suprir as necessidades da geração atual, sem comprometer a capacidade de atender as necessidades das futuras gerações (BLANC et al., 2015). Em outras palavras, o desafio é substituir gradativamente as fontes tradicionais de energia elétrica por fontes de energia renovável. A atividade de produção de energia elétrica ingressou no século XXI, buscando ampliar sua capacidade de geração e diversificar suas matrizes energéticas, priorizando e incentivando o uso de energias renováveis. De acordo com a IEA (International Energy Agency), por meio do relatório Tracking Clean Energy Progress, no ano de 2014 a geração de eletricidade a partir de energias renováveis cresceu cerca de 7% (350 TWh), sendo responsável por mais de 22% da produção mundial, totalizando um investimento de 250 bilhões de dólares. Entre os anos de 2014 e 2020 o crescimento deve ser de 45% atingindo 7310 TWh, com projeção de 10225 TWh em 2025 (DENNEHY; D’AMBROSIO; TAM, 2014). Esta expectativa tem contribuído para o aumento do uso de geradores distribuídos. A geração distribuída é um tipo de geração caracterizada pelo uso de geradores de pequena e média potência instalados próximos aos locais de consumo, conforme a Figura 1.1.. Figura 1.1 – Geração distribuída em contrapartida ao modelo tradicional de produção de eletricidade, baseado em grandes usinas hidrelétricas e usinas de carvão mineral. Fonte: composição com figuras extraídas de images.google.com..

(31) 1 INTRODUÇÃO. 30. O uso de sistemas de geração distribuída em baixa tensão traz inúmeros benefícios para os usuários e para o SEP (Sistema Elétrico de Potência) (LORA; HADDAD, 2006). Além de proporcionar bem-estar e qualidade de vida com a introdução de fontes renováveis de energia, a geração distribuída descentraliza a produção de energia, produzindo eletricidade perto do local de consumo e permitindo aliviar as linhas de transmissão e os sistemas de distribuição. No mundo, a inserção da energia solar fotovoltaica através da geração distribuída tem destaque. A energia solar fotovoltaica possui as características de fonte inesgotável, silenciosa, modular, necessitar baixa manutenção, provocar baixo impacto ambiental e ser facilmente integrada às construções (BACHA et al., 2015) (PHILIBERT; FRANKL, 2014). No âmbito global, a energia solar fotovoltaica experimentou um novo ano de crescimento em 2014, alcançando uma capacidade acumulada de 178 GW, multiplicando a capacidade instalada por um fator de cem em apenas quatorze anos de desenvolvimento. Em consequência das quedas de preços alcançados nos últimos anos, já é amplamente reconhecida como uma fonte competitiva, confiável e sustentável em termos de custos, com projeção de capacidade acumulada de 550 GW no final dos próximos cinco anos (REKINGER; THIES, 2014). Os sistemas fotovoltaicos podem ser divididos em duas categorias básicas: • Sistemas isolados ou autônomos; • Sistemas conectados à rede elétrica. Um sistema isolado usufrui de um dispositivo de armazenamento de energia, um controlador de carga e um inversor, que fornece a alimentação adequada para as cargas, sendo usualmente utilizado em eletrificação rural e centrais remotas de telecomunicações. O que caracteriza um sistema isolado é a presença do dispositivo fotovoltaico como única fonte de energia com perfil gerador. A Figura 1.2 ilustra a organização genérica de um sistema fotovoltaico isolado.. Figura 1.2 – Organização de um sistema fotovoltaico isolado. Fonte: composição com figuras extraídas de images.google.com..

(32) 31. 1 INTRODUÇÃO. No sistema conectado à rede, no qual esta dissertação está fundamentada, os consumidores são alimentados pela rede elétrica e o sistema fotovoltaico atua como fonte complementar de energia. A energia gerada pelo sistema fotovoltaico é injetada e distribuída na rede elétrica, como mostra a Figura 1.3, que ilustra a organização de um sistema fotovoltaico conectado à rede.. Figura 1.3 – Organização de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica. Fonte: composição com figuras extraídas de images.google.com. Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede podem ser centralizados, constituindo usinas de geração de energia elétrica, ou descentralizados, instalados em empresas, prédios públicos e residências, conforme mostrado nas Figuras 1.4(a), 1.4(b), 1.4(c) e 1.4(d).. (a). (b). (c). (d). Figura 1.4 – Sistemas fotovoltaicos conectados à rede, (a)-(b) centralizados; (c)-(d) descentralizados. Fonte: composição com figuras extraídas de images.google.com..

(33) 32. 1 INTRODUÇÃO. Os conversores eletrônicos para sistemas fotovoltaicos conectados à rede, também chamados de inversores, podem ser constituídos de diversas maneiras, utilizando diferentes topologias, estratégias de modulação e tecnologias de dispositivos semicondutores, apresentando nas últimas décadas um acentuado progresso de pesquisa. Os principais esforços de estudo têm se concentrado em obter alto rendimento, alta densidade de potência e alta confiabilidade, de modo a aumentar o desempenho global da instalação fotovoltaica. É neste horizonte que esta dissertação busca contribuir. Neste contexto, os dispositivos semicondutores tem papel fundamental, pois sua evolução está intimamente ligada ao desenvolvimento da próxima geração de inversores fotovoltaicos. As novas tecnologias de dispositivos semicondutores, denominados de wide bandgap, tais como SiC (Carbeto de Silício) e GaN (Nitreto de Gálio), mostradas respectivamente nas Figuras 1.5(a) e 1.5(b), cujas propriedades estão listadas na Tabela 1.1, permitem operar com elevadas frequências de comutação e maiores tensões, apresentando reduzidas perdas, melhorando a condutividade térmica e a capacidade de suportar maiores temperaturas (KOURO et al., 2015) (MANTOOTH; GLOVER; SHEPHERD, 2014). Tabela 1.1 – Propriedades dos materiais semicondutores de wide bandgap, em comparação ao Silício, utilizado na manufatura dos MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), tecnologia que domina o mercado para aplicação de inversores fotovoltaicos. Parâmetro. GaN. SiC. Si. Bandgap Eg (eV ). 3,4. 3,2. 1,12. Campo Elétrico Crítico EBV (M V /cm). 3,3. 3,5. 0,3. Mobilidade de Elétron µn (cm2 /V s). 2000. 650. 1500. (a). (b). Figura 1.5 – Dispositivos semicondutores de wide bandgap, (a) SiC (encapsulamento TO252); (b) GaN (encapsulamento LGA). Fonte: composição com figuras extraídas de images.google.com..

(34) 1 INTRODUÇÃO. 33. Juntamente com os dispositivos semicondutores de wide bandgap, outro tema de intenso estudo é a questão da utilização do transformador. Sistemas fotovoltaicos conectados à rede usualmente possuem um transformador de baixa frequência no seu estágio de processamento de energia. Este transformador tem a função de elevar a tensão para adequar ao valor necessário para a conexão com a rede. Além disso, a sua presença garante a isolação galvânica entre a rede e o sistema fotovoltaico, evitando a circulação de correntes de fuga, e também, assegurando que nenhum nível de corrente contínua seja injetada na rede (FREDDY et al., 2014) (ARAUJO; ZACHARIAS; MALLWITZ, 2010). Entretanto, pela baixa frequência de operação, o transformador é volumoso, pesado e caro, além de possuir perdas magnéticas que diminuem o rendimento do sistema. Uma alternativa para redução do custo e volume é a utilização de um transformador de alta frequência. Contudo, o aumento da frequência resulta em maiores perdas magnéticas no núcleo do transformador, sendo responsáveis, igualmente, pela redução do rendimento. Quando o transformador não é utilizado, existe conexão elétrica entre a rede e o painel fotovoltaico, possibilitando a circulação de correntes oriundas de cargas armazenadas em capacitâncias parasitas do sistema. A variação de tensão nos terminais do painel fotovoltaico, provocada pela comutação dos semicondutores, altera constantemente o estado de carga das capacitâncias parasitas presentes no painel, gerando a circulação da corrente de fuga por todo o sistema, conforme ilustrado na Figura 1.6. Esta corrente pode causar problemas elétricos (queima de componentes do inversor), problemas de segurança (risco de choque elétrico ao tocar no inversor), aumento da EMI (Eletromagnetic Interference) e uma redução na qualidade da energia (GU et al., 2013) (YANG et al., 2012) (XIAO; XIE, 2010). Existem diversas técnicas para mitigação dos problemas relacionados a corrente de fuga, as quais concentram-se essencialmente no desenvolvimento de novas topologias de inversores fotovoltaicos e estratégias de modulação, exploradas pela literatura e parcialmente discutidas neste documento.. Figura 1.6 – Ilustração da circulação da corrente de fuga em um sistema fotovoltaico conectado à rede sem transformador..

(35) 1 INTRODUÇÃO 1.2. 34. Objetivos. Esta dissertação tem por objetivo propor, analisar, projetar e implementar um inversor fotovoltaico monofásico, para aplicação conectada à rede, de alto rendimento e alta densidade de potência. Esta estrutura é denominada de “Inversor Fotovoltaico NPC (Neutral Point Clamped) Multinível Intercalado sem Transformador”, que utiliza indutores não acoplados, interruptores de Nitreto de Gálio e emprega a técnica interleaving junto ao filtro LCL.. 1.2.1 Objetivos específicos. Como objetivos específicos têm-se: • Realizar uma revisão bibliográfica com respeito as principais topologias de inversores fotovoltaicos monofásicos conectados à rede sem transformador, visando estabelecer uma organização de acordo com as características comuns; • Propor uma topologia de inversor fotovoltaico multinível sem transformador, para aplicação conectada à rede, de alto rendimento e alta densidade de potência; • Sugerir uma estratégia de modulação geométrica baseada na técnica PWM (Pulse Width Modulation); • Obter um circuito equivalente para simplificação da estrutura, através do Circuito Equivalente de Thévenin; • Realizar um estudo acerca da ondulação de corrente; • Estabelecer um método de projeto para o filtro LCL, contemplando as características particulares do inversor proposto; • Elaborar uma rotina de perdas teóricas; • Implementar um protótipo; • Fazer uma análise do desempenho do inversor, estabelecendo critérios, considerando a performance estática (rendimento e THD (Total Harmonic Distortion)), e ainda, atendendo as normas que regulamentam a aplicação..

(36) 1 INTRODUÇÃO 1.3. 35. Organização da Dissertação. Os capítulos desta dissertação estão organizados na forma que segue. • Capítulo 2: Este capítulo traz a revisão bibliográfica, apresentando as principais topologias de inversores fotovoltaicos monofásicos conectados à rede sem transformador; • Capítulo 3: Este capítulo apresenta a topologia proposta, obtenção do circuito equivalente, ponderações sobre o índice de modulação e estudo da ondulação de corrente; • Capítulo 4: Este capítulo descreve o procedimento de projeto e particularidades de implementação; • Capítulo 5: Este capítulo analisa e discute os resultados; • Capítulo 6: Este capítulo traz as considerações finais e sugestões para trabalhos futuros. Como complemento a esta dissertação o Apêndice A apresenta a análise da THD da tensão multinível vmulti_a,b . O Apêndice B realiza o equacionamento das correntes médias e eficazes nos dispositivos semicondutores (GaN FETs e diodos). O Apêndice C refere-se ao projeto físico dos elementos magnéticos. O Apêndice D apresenta um estudo térmico dos interruptores de Nitreto de Gálio. Por fim, o Apêndice E traz a listagem dos componentes e esquemáticos utilizados para montagem do protótipo.. 1.4. Artigos publicados. No decorrer do ano destinado ao desenvolvimento desta dissertação foram publicados os artigos: 1. FINAMOR, G. A. et al. Transformerless interleaving multilevel NPC inverter for photovoltaic systems. Power Electronics Conference (COBEP), 2015 Brazilian. 2. (Aceito para publicação) FINAMOR, G. A. et al. High power density transformerless photovoltaic interleaved multilevel NPC inverter. The 41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), 2015..

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(38) 2 INVERSORES FOTOVOLTAICOS MONOFÁSICOS CONECTADOS À REDE SEM TRANSFORMADOR - UMA REVISÃO. 2.1. Introdução. Os inversores fotovoltaicos monofásicos conectados à rede podem ser organizados de diversas maneiras, discutidos em (KJAER; PEDERSEN; BLAABJERG, 2005) e (XUE et al., 2004). Basicamente os inversores dividem-se em estruturas de um, dois ou múltiplos estágios. Dentro destas estruturas, podem ser encontrados diferentes métodos de desacoplamento. Por fim, os inversores podem ser classificados de acordo com a utilização do transformador e sua frequência de operação. Os inversores fotovoltaicos conectados à rede sem transformador foram concebidos sob a perspectiva de obter soluções de alto rendimento e alta densidade de potência. Entretanto, pela ausência deste elemento magnético podem surgir problemas relacionados a circulação de correntes de fuga. Existem variadas estratégias para mitigação destes problemas, as quais convergem fundamentalmente para o desenvolvimento de novas topologias, abordadas em (LI et al., 2015) e (ZHANG et al., 2013), denominadas neste texto de “inversores originalmente propostos pela indústria”. Recentemente, outro grupo de inversores, chamados de “inversores multiníveis”, têm sido objeto de intenso estudo para sistemas fotovoltaicos conectados à rede, explorados em (BUTICCHI et al., 2014), (XIAO et al., 2015) e (ISLAM; GUO; ZHU, 2014). Estes inversores possuem a característica de sintetizar formas de onda de alta tensão ou corrente, utilizando dispositivos semicondutores de menor potência e com capacidade para operar com maiores frequências de comutação. Além disso, existe a possibilidade de síntese de formas de onda com reduzido conteúdo harmônico, permitindo a redução do peso/volume dos elementos de filtragem (RECH, 2005). Este capítulo traz a revisão bibliográfica, apresentando as principais topologias de inversores fotovoltaicos monofásicos conectados à rede sem transformador. Desta forma, serão analisadas somente as estruturas denominadas de originalmente propostas pela indústria e multiníveis que apresentam um único estágio de conversão e derivadas do conversor Buck. Estas estruturas baseiam-se em duas famílias de inversores bem conhecidas: • Inversores em ponte (half-bridge e full-bridge); • Inversores NPC..

(39) 2 INVERSORES FOTOVOLTAICOS MONOFÁSICOS CONECTADOS À REDE SEM TRANSFORMADOR - UMA REVISÃO 2.2. 38. Inversores originalmente propostos pela indústria. Os inversores originalmente propostos pela indústria foram desenvolvidos para aplicações de alto rendimento e baixo custo. Estas estruturas possuem sobretudo um arranjo de dispositivos semicondutores para realizar o desacoplamento quando é sintetizado um determinado nível de tensão. As principais topologias destes inversores para sistemas fotovoltaicos conectados à rede sem transformador são: • NPC Conergy; • Highly Efficiency and Reliable Inverter Concept (HERIC); • H5; • Full-Bridge Inverter with DC Bypass (FB-DCBP).. 2.2.1 NPC Conergy. O inversor NPC Conergy foi introduzido com uma proposta de três níveis em (KNAUP, 2007). Esta estrutura apresenta dois interruptores em meia ponte, dois capacitores de barramento e uma chave bidirecional para desacoplamento, formada pelos interruptores S3 e S4 , de acordo com a Figura 2.1. Este inversor é atualmente comercializado pela empresa Conergy na série IPG(2-5 kW) com um rendimento máximo de 96,1% (TEODORESCU; LISERRE; RODRIGUEZ, 2011).. Figura 2.1 – Inversor NPC Conergy..

(40) 2 INVERSORES FOTOVOLTAICOS MONOFÁSICOS CONECTADOS À REDE SEM TRANSFORMADOR - UMA REVISÃO. 39. 2.2.2 HERIC. O inversor HERIC foi desenvolvido com uma proposta de três níveis em (SCHMIDT; SIEDLE; KETTERER, 2006). Esta estrutura apresenta quatro interruptores em ponte completa, um capacitor de barramento e uma chave bidirecional para desacoplamento, formada pelos interruptores S5 e S6 , conforme ilustra a Figura 2.2. Este inversor é comercializado pela empresa Sunways na série AT(2,5-5 kW) com um rendimento máximo de 95,6% (TEODORESCU; LISERRE; RODRIGUEZ, 2011).. Figura 2.2 – Inversor HERIC.. 2.2.3 H5. O inversor H5 foi introduzido com uma proposta de três níveis em (VICTOR et al., 2005). Esta estrutura apresenta quatro interruptores em ponte completa, um capacitor de barramento e um único interruptor para desacoplamento, de acordo com a Figura 2.3. Este inversor é comercializado pela empresa SMA na série SunnyBoy 4000/5000 TL com um rendimento máximo de 98% (TEODORESCU; LISERRE; RODRIGUEZ, 2011).. Figura 2.3 – Inversor H5..

(41) 2 INVERSORES FOTOVOLTAICOS MONOFÁSICOS CONECTADOS À REDE SEM TRANSFORMADOR - UMA REVISÃO. 40. 2.2.4 FB-DCBP. O inversor FB-DCBP foi desenvolvido com uma proposta de três níveis em (GONZALEZ et al., 2008). Esta estrutura apresenta quatro interruptores em ponte completa, dois capacitores de barramento, dois interruptores para desacoplamento e dois diodos grampeadores de tensão, conforme ilustra a Figura 2.4. Este inversor é atualmente comercializado pela empresa Integeam na série SunTL(2,5/3,3/6 kW) com um rendimento máximo de 96,5% (TEODORESCU; LISERRE; RODRIGUEZ, 2011).. Figura 2.4 – Inversor FB-DCBP.. 2.3. Inversores multiníveis. Os inversores multiníveis dividem a tensão de barramento em um determinado número de interruptores efetivamente conectados em série e sintetizam formas de onda com reduzido conteúdo harmônico. As principais topologias de inversores multiníveis para sistemas fotovoltaicos conectados à rede sem transformador, analisadas em (CALAIS; AGELIDIS, 1998) e (KOURO et al., 2010), podem ser organizadas em três grupos: • Inversores com diodos de grampeamento; • Inversores com capacitores flutuantes; • Inversores em cascata..